工業(yè)氣體被形象地稱為“工業(yè)血液”，空分裝置則是氣體生產(chǎn)的“心臟”。本文給出了康吉森空分裝置節(jié)能優(yōu)化控制解決方案，助力工業(yè)企業(yè)節(jié)能降耗，助推工業(yè)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展。
工藝簡(jiǎn)介
空氣分離裝置是利用物理或者化學(xué)方法將空氣混合物各組分分開(kāi)，獲得氧氣、氮?dú)庖约耙恍┫∮袣怏w的過(guò)程。工業(yè)上主要有三種實(shí)現(xiàn)空氣分離方法：低溫法、吸附法、膜分離法。目前應(yīng)用廣泛的是低溫法，它的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)量大、產(chǎn)品純度高、電耗低并且可以得到液態(tài)產(chǎn)品，便于存儲(chǔ)和運(yùn)輸，主要工藝單元包括：凈化系統(tǒng)、壓縮系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、純化系統(tǒng)、膨脹系統(tǒng)、分餾系統(tǒng)。
空氣分離的基本原理就是利用低溫精餾法將空氣冷凝成液體，然后按各組分蒸發(fā)溫度的不同將空氣分離。壓縮空氣除去水分和二氧化碳等雜質(zhì)后，經(jīng)熱交換系統(tǒng)和增壓膨脹機(jī)制冷后進(jìn)入下塔，在塔板上氣體與液體接觸，由于氣、液之間溫度差的存在，在進(jìn)行傳熱和傳質(zhì)交換時(shí),低沸點(diǎn)組分氮吸收熱量開(kāi)始蒸發(fā)，氮組分首先蒸發(fā)出來(lái)，溫度較高的氣體冷凝，放出冷凝熱，氣體冷凝時(shí)，首先冷凝氧組分。這過(guò)程一直進(jìn)行到氣相和液相的溫度相等為止，也即氣、液處于平衡狀態(tài)。這時(shí)，液相由于蒸發(fā)，使氮組分減少，同時(shí)由于氣相冷凝的氧也進(jìn)入液相，因此液相的氧濃度增加了，同樣氣相由于冷凝，使氧組分減少，同時(shí)由于液相的氮進(jìn)入氣相，因此氣相的氮濃度增加了。
多次的重復(fù)上述過(guò)程，氣相的氮濃度就不斷增加,液相的氧濃度也能不斷的增加。這樣經(jīng)過(guò)多次的蒸發(fā)與冷凝就能完成整個(gè)精餾過(guò)程，從而將空氣中的氧和氮分離開(kāi)來(lái)。空氣在下塔被初步精餾為氣氮、污液氮和富氧液空，以節(jié)流閥減壓降溫后送至上塔作為上塔的回流液，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)精餾，最終在上塔頂部得到純氮?dú)猓虏康玫胶细竦囊貉醍a(chǎn)品。
在大型空氣分離裝置的生產(chǎn)過(guò)程中，根據(jù)工藝流程的要求，有多種不同類型的重大設(shè)備，這當(dāng)中包括了多臺(tái)透平機(jī)械壓縮機(jī)機(jī)組，典型的壓縮機(jī)一般有：
1、空氣壓縮機(jī)/氮?dú)鈮嚎s機(jī)
空氣分離裝置中的大型空壓機(jī)多采用離心和軸流兩種結(jié)構(gòu)，其經(jīng)常還會(huì)與一臺(tái)增壓機(jī)連在一根軸系上，由一臺(tái)汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，這類空壓機(jī)組通常俗稱為一拖二機(jī)組。如圖所示：空壓機(jī)組的空壓機(jī)為軸流壓縮機(jī)，增壓機(jī)為多軸的離心氮壓縮機(jī)。
2、膨脹機(jī)
膨脹機(jī)是為空分裝置提供冷量的設(shè)備，氣體在膨脹機(jī)中等熵膨脹而制取冷量，補(bǔ)充系統(tǒng)冷損。
3、氧壓機(jī)（汽輪機(jī)/電機(jī)驅(qū)動(dòng)）/泵
空分裝置流程主要分外壓縮、內(nèi)壓縮。外壓縮是利用氧氣壓縮機(jī)將空分裝置出來(lái)的低壓產(chǎn)品氧氣壓縮至用戶所需要的壓力等級(jí)，內(nèi)壓縮是采用液氧泵對(duì)產(chǎn)品液氧進(jìn)行壓縮，然后換熱汽化的一種流程形式。
內(nèi)壓縮流程的形式應(yīng)用比較多，它的優(yōu)點(diǎn)是：無(wú)高溫氣氧、火險(xiǎn)隱患小，碳?xì)浠衔锓e聚的可能性大大降低。
空氣壓縮機(jī)組的控制
原料空氣壓縮機(jī)和增壓空氣壓縮機(jī)采用離心式或軸流式壓縮機(jī)，由透平蒸汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)。原料空氣壓縮機(jī)的作用是為裝置提供帶壓原料氣，增壓空氣壓縮機(jī)的作用是為裝置提供膨脹及液氧氣化的氣源。
1、機(jī)組的轉(zhuǎn)速控制
汽輪機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，汽輪機(jī)啟動(dòng)階段的轉(zhuǎn)速控制，根據(jù)汽輪機(jī)主機(jī)廠提供的升速曲線，進(jìn)行升速控制。在機(jī)組暖機(jī)升速、過(guò)臨界轉(zhuǎn)速、進(jìn)入工作轉(zhuǎn)速和降速停機(jī)過(guò)程中，要投入壓縮機(jī)調(diào)速控制。在機(jī)組控制系統(tǒng)中預(yù)先存儲(chǔ)壓縮機(jī)的升速曲線，根據(jù)預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)速，將轉(zhuǎn)速目標(biāo)值轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速PID的給定值，保證機(jī)組穩(wěn)定工作在額定轉(zhuǎn)速。
機(jī)組轉(zhuǎn)速控制
壓縮機(jī)入口導(dǎo)葉控制
2、壓縮機(jī)入口導(dǎo)葉控制
壓縮機(jī)的入口流量控制需要通過(guò)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)入口導(dǎo)葉開(kāi)度實(shí)現(xiàn)。壓縮機(jī)入口流量調(diào)節(jié)器的輸出，送到入口導(dǎo)葉調(diào)速器，控制空壓機(jī)的入口導(dǎo)葉開(kāi)度，組成串級(jí)調(diào)節(jié)回路來(lái)穩(wěn)定空壓機(jī)的入口流量。
3、壓縮機(jī)防喘振控制
在機(jī)組啟動(dòng)和停機(jī)過(guò)程中，由于機(jī)組流量過(guò)低，如果沒(méi)有防喘振控制，就會(huì)因喘振的發(fā)生對(duì)機(jī)組造成損壞。
當(dāng)工況變化時(shí)也需要通過(guò)喘振控制來(lái)使壓縮機(jī)遠(yuǎn)離喘振區(qū)域，避免損壞機(jī)組。
4、全自動(dòng)節(jié)能優(yōu)化控制
分子篩切換時(shí)會(huì)造成壓力和流量波動(dòng)，造成入口導(dǎo)葉與喘振閥的動(dòng)作，使裝置工況不穩(wěn)，影響下游產(chǎn)品質(zhì)量。為了解決這個(gè)問(wèn)題，必須實(shí)現(xiàn)性能控制與防喘振控制的優(yōu)化。抑制分子篩切換時(shí)的擾動(dòng)，穩(wěn)定裝置工況，保證產(chǎn)品質(zhì)量。
5、機(jī)組能效在線性能監(jiān)測(cè)
機(jī)組在線性能監(jiān)測(cè)是考核機(jī)組能效的度量手段。當(dāng)工況發(fā)生變化時(shí)，機(jī)組的能效指標(biāo)會(huì)發(fā)生改變。實(shí)時(shí)監(jiān)視汽輪機(jī)、壓縮機(jī)功率和效率的變化。使用該方法對(duì)機(jī)組改造的實(shí)際效果進(jìn)行評(píng)估，為進(jìn)一步計(jì)算空分裝置的收益提供參考。
機(jī)組能效在線性能監(jiān)測(cè)
節(jié)能優(yōu)化控制案例
某石化空分裝置系統(tǒng)優(yōu)化，增加分子篩切換時(shí)進(jìn)行精細(xì)控制，裝置開(kāi)車及機(jī)組精調(diào)完成后，分子篩切換時(shí)空壓機(jī)出口壓力波動(dòng)由原來(lái)的超過(guò)150KPa優(yōu)化至不超過(guò)20KPa，整個(gè)裝置運(yùn)行更穩(wěn)定，效率更高。
編者按
工業(yè)氣體被形象地稱為“工業(yè)血液”，空分裝置則是氣體生產(chǎn)的“心臟”。空分設(shè)備是一種高能耗設(shè)備，在煤化工行業(yè)中，制氧能耗約占總能耗的10%～15%，甚至更大。康吉森空分裝置節(jié)能優(yōu)化控制解決方案在滿足原技術(shù)指標(biāo)的基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的節(jié)能降耗，為工業(yè)企業(yè)的持續(xù)發(fā)展提供客觀的支持和幫助。
《康吉森“雙碳”專欄》簡(jiǎn)介
“雙碳”目標(biāo)下，工業(yè)節(jié)能是當(dāng)前的首要任務(wù)。作為流程工業(yè)安全及關(guān)鍵控制系統(tǒng)的行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)，康吉森自動(dòng)化幫助更多工業(yè)企業(yè)節(jié)能增效責(zé)無(wú)旁貸。為響應(yīng)國(guó)家政策號(hào)召，順應(yīng)新的發(fā)展趨勢(shì)，為工業(yè)企業(yè)節(jié)能增效保駕護(hù)航，康吉森自動(dòng)化特推出《康吉森“雙碳”專欄》系列報(bào)道，借助自身經(jīng)驗(yàn)積累和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，向廣大工業(yè)企業(yè)提供節(jié)能優(yōu)化控制解決方案。
